[实用新型]基于石墨烯的表面等离子体极化波分束器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种使用石墨烯实现的表面等离子体极化波分束器，尤其涉及一种基于石墨烯可以做为ENZ材料的特性来设计的表面等离子体极化波分束器。此器件可以把一个球面表面等离子体极化波分成许多束平面表面等离子体极化波。

背景技术

近些年，介电常数的实部趋于零的材料(ENZ材料)引起了人们极大的关注，ENZ材料可以将一个给定的入射波的等相位面，通过设计ENZ材料出射面的外形，将出射波等相位面的形状变换成所需要的任意形状，而无需考虑入射波的波前。该技术在成像和通信领域有着广泛的应用前景。在红外和光波段，一些低损耗的贵金属，如金和银，半导体和一些极性电解质，在它们的等离子体频率附近可以用作ENZ材料。但是，由于它们的色散性质，这些ENZ材料只能工作于它们的离子体频率附近。自2004年发现石墨烯以来，引起了人们强烈的研究兴趣。G.W.Hanson教授提出，石墨烯的电导率可以由Kubo公式表示为(“Dyadic Green’sfunctions and guided surface waves for a surface conductivity model ofgraphene，”J.Appl.Phys.103(6)，064302，2008)。

其中-e为电子电量，为普朗克常数，f_d(ε)＝1/(1+exp[(ε-μ_c)/(k_BT)])是费米狄拉克分布，k_B为波尔兹曼常数，ω为角频率，μ_c为化学势，Γ表示散射率，T表示温度。由上述公式可知，石墨烯的电导率是随着化学势的变化而变化的。不同的电导率又对应着不同的介电常数，它们的对应关系为：Re(ε_g，eq)＝-σ_g，i/ωΔ+ε₀≈-σ_g，i/ωΔ，Im(ε_g，eq)＝σ_g，r/ωΔ。所以，我们可以通过改变石墨烯的化学势来得到我们想要的介电常数。在多个频率点，通过选择适当的化学势，就可以使石墨烯的介电常数的实部趋近于零。例如，在频率为50THz，温度为3K，化学势为0.12155eV时，石墨烯的介电常数为ε＝2.28e^-4+i0.2178，它的介电常数的实部趋近于零，因此可以作为一种ENZ材料。A.Vakil教授和N.Engheta教授提出，可以使用uneven ground plane(凹凸不平的地平面)技术来实现在一片石墨烯上的不同区域有不同的化学势(“TransfromationOpticas Using Graphene，”Science 332(6035)，1291-1293 2011)。石墨烯化学势与门电压的关系为：

其中，ε₀，ε_r分别表示空气和sio₂的介电常数，t是sio₂层的厚度。所以我们可以通过改变门电压来改变石墨烯的化学势从而改变石墨烯的介电常数。迄今为止，尚无人使用石墨烯来设计表面等离子体极化波分束器。

实用新型内容

技术问题：为了解决利用金属等材料ENZ特性制作的分束器只能工作在其等离子体频率附近的限制，本实用新型提出了一种基于石墨烯的表面等离子体极化波分束器，此分束器可以把一个球面表面等离子体极化波分成若干束平面表面等离子体极化波。在成像和通信领域有着广泛的用途。

本实用新型采用如下技术方案：

一种基于石墨烯的表面等离子体极化波分束器，其特征在于，包括：硅衬底，在硅衬底的上表面设有环形槽，且环形槽的内侧面为圆柱面、外侧面为多棱柱面，在硅衬底的上表面上覆盖有二氧化硅衬底，在二氧化硅衬底的下表面设有与硅衬底的环形槽相适配的环形突起，在二氧化硅衬底的上表面设有石墨烯层。

本实用新型最下面的是硅衬底，硅衬底上面铺二氧化硅衬底，二氧化硅衬底上面再铺石墨烯层，偏置电压源的一极加在硅衬底上，另一极加在石墨烯上。不同区域硅衬底的厚度不同，不同厚度的硅衬底导致了不同厚度的二氧化硅衬底，从而在同一个偏置电压下，不同区域的石墨烯所感应到的化学势不同。所以不同区域上的石墨烯具有不同的介电常数。当硅衬底环形槽区域对应的石墨烯区域的介电常数的实部趋近于零，硅衬底其它区域对应的石墨烯介电常数的实部为负数时，就可以实现表面等离子体极化波分束器的功能。

与现有技术比，本实用新型具有以下优点：